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朱欽士，四川省成都市人。1968年畢業(yè)于北京大學(xué)生物學(xué)系生物化學(xué)專業(yè)。1984年獲得荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)生物化學(xué)博士學(xué)位。1984年至1986年在中國科學(xué)院生物物理研究所酶學(xué)和生物能學(xué)實驗室工作，同時任碩士研究生導(dǎo)師。1986年到美國西弗吉尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)系做博士后研究。1987年到1991年在洛杉磯兒童醫(yī)院從事基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究。1991年至2009年在美國南加州大學(xué)從事研究工作。退休前為南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子生物學(xué)系副教授。
研究領(lǐng)域包括生物能，酶的結(jié)構(gòu)和功能，蛋白質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運，癌癥與染色體，神經(jīng)遞質(zhì)，基因表達的調(diào)控機制，以及肝臟解毒系統(tǒng)。
為什么說人屬于“單鞭毛生物”？
朱欽士
2015年10月08日地球上的生物有170多萬種，可以分為各種類型的生物。從細胞的結(jié)構(gòu)特點，可以分為原核生物（prokaruotes，即沒有細胞核的生物）和真核生物（Eukaruotes，具有細胞核的生物）兩大類。原核生物包括古菌（Archaea）和細菌（Bacteria）；真核生物包括植物（Plant）、動物（Animal）和真菌（Fungus）。每類生物都可以進一步分類，例如植物可以分為藻類植物、苔蘚類植物、蕨類植物、種子植物等。動物可以分為無脊椎動物和脊椎動物，其中脊椎動物又可以分為魚類、兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類。我們?nèi)祟惥褪莿游镏械牟溉轭悇游?。除了這種分類方法，是不是還有其他分類法呢？
1987年，英國科學(xué)家湯瑪斯 卡弗利爾-史密斯（Thomas Cavalier-Smith，1942-）提出，真核生物還可以根據(jù)鞭毛的數(shù)量來分類。例如有一根鞭毛的和有兩根鞭毛的生物就不是同類。這里說的鞭毛，是指真核生物的鞭毛，成分和結(jié)構(gòu)和原核生物的鞭毛不同。例如單細胞的衣藻（Chlamydomonas，一種綠藻）有兩根鞭毛，植物的孢子和配子也是雙鞭毛的，而且這些鞭毛都長在細胞的前端，即細胞運動的方向。與此相反，動物的精子（包括人類的精子）、真菌的游動孢子、以及一些單細胞生物如領(lǐng)鞭毛蟲（Choanoflagellate）則只有一根鞭毛，而且長在細胞的后方，通過擺動“推”著細胞前進，它們和植物應(yīng)該不是同一類生物。從這個事實出發(fā)，地球上所有的真核生物可以被分為兩個大類：單鞭毛生物（Unikonta）和雙鞭毛生物（Bikonta）。它們各自都包括單細胞生物和多細胞生物，所以是很大的門類。例如單鞭毛生物就包括多細胞的動物和真菌，以及單細胞的原生動物如領(lǐng)鞭毛蟲，也就是包括所有的動物和真菌。而雙鞭毛生物則包括植物界中所有的生物，包括藻類和陸生植物。
不過單憑鞭毛的數(shù)量來給生物分類，理由好像不那么充足。要是有些生物后來丟掉了一些鞭毛呢？剛毛藻（Cladophora，也是綠藻的一種）的配子像衣藻一樣，有兩根鞭毛，而孢子卻有四根鞭毛。僅憑一根鞭毛就把一些單細胞生物、真菌和多細胞動物分為一類也讓人疑惑：真菌的菌絲不運動，而且能夠從頂端伸長，不是更像植物嗎？怎么和動物弄到一起去了？僅憑有些單細胞生物只有一根鞭毛，就和多細胞的動物歸為一類，能夠使人信服嗎？這樣做，相當(dāng)于把所有的真核生物縱向切成兩大塊，分別是單鞭毛生物和雙鞭毛生物，每一塊都包含了最簡單的到最高級的生物，這遠比傳統(tǒng)分類中的“門”（Phylum），甚至“界”（Kingdom）還要大，這樣的生物塊是不是太大了？它們真的存在嗎？
但是科學(xué)研究的結(jié)果卻表明，Cavalier-Smith的想法是有道理的，證據(jù)就是生物進化過程中一些分子的特征性變化。如果一些生物具有這種特征性變化，而其他生物沒有這種變化，具有這種特征性變化的生物就應(yīng)該來自共同的祖先，屬于同門類的生物。例如在原核生物中，有三個與嘧啶（DNA的組成成分之一）合成有關(guān)的酶，分別是氨甲酰磷酸合成酶（carbamoyl phosphate synthase）、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（aspartate carbamoyltransferase）、和二氫乳酸酶（dihydroorotase）。這三個酶各有為自己編碼的基因，在細胞中分別合成。這三個酶彼此協(xié)作，用谷氨酰胺為原料合成嘧啶。真核生物是從原核生物進化而來的，在真核生物中，這三個酶的情況又如何呢？在單鞭毛生物中，無論是單細胞單鞭毛生物的還是多細胞的動物和真菌，這三個功能彼此聯(lián)系的酶都融合在一起，成為單一的多功能酶，即一個蛋白分子具有三種酶的活性。這就需要為這三個酶編碼的基因也融合在一起，成為一個基因。由于這個轉(zhuǎn)化過程需要三個基因經(jīng)過兩次融合才能成為一個基因，是一個概率非常低的事件，很難發(fā)生兩次，所以是追蹤生物進化路線有用的標記，這個融合基因也就以三個酶的頭一個字母合在一起叫CAD基因。所有的單鞭毛生物都有這個CAD基因，即擁有融合的酶；而在雙鞭毛生物，包括一些高級多細胞生物如植物中，這種融合并沒有發(fā)生，三個基因仍然各自表達。這個事實說明，所有具有CAD融合基因的生物（即單鞭毛生物，不管是單細胞的還是多細胞的）應(yīng)該來自共同的祖先，和雙鞭毛生物是不同類別的生物。
另一方面，植物中兩個與胸腺嘧啶合成有關(guān)的酶，胸苷酸合成酶（Thymidylate synthase）和二氫葉酸還原酶（Dihydrofolate reductase）彼此融合在一起，而這種融合在任何單鞭毛生物中都未曾發(fā)生過，這說明雙鞭毛生物也有自己共同的祖先。從這些事實出發(fā)，把有一根鞭毛的生物與有兩根鞭毛的生物區(qū)分開，各自歸為一大類是有道理的。
在單鞭毛生物中，鞭毛長在細胞的后面的生物叫作“后鞭毛生物”（Opisthokont）。多細胞生物中的動物和真菌，以及單細胞生物中“領(lǐng)鞭毛蟲”門（Choanozoa）和“中粘菌門”（Mesomycetozoa）中的生物，都屬于后鞭毛生物。為了進一步證明單細胞的后鞭毛生物和多細胞動物的關(guān)系，在2005年，英國的科學(xué)家從20種生物中提取了DNA，并且測定了為以下四個蛋白編碼基因的DNA序列：真核生物的轉(zhuǎn)譯延長因子（Eukaryotic translation elongation factor 1a ，簡稱EF-1a）、熱休克蛋白70（Heat shock prtotein 70，簡稱HSP70）、肌動蛋白（actin）、beta-微管蛋白（beta-tubulin）。在比較這4個基因在不同動物中的序列差別之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，后鞭毛生物確實是一個獨立的門類，包括單細胞的后鞭毛生物和多細胞的動物和真菌。例如在所有的后鞭毛生物中，EF-1a蛋白序列中都有一個12個氨基酸單位的插入，而雙鞭毛生物則沒有這個插入，這就更加證明單細胞的后鞭毛生物和多細胞動物確實有共同的祖先。
這些事實都表明，在真核生物形成的初期，還在單細胞的階段，就已經(jīng)分化出單鞭毛細胞（如領(lǐng)鞭毛蟲）和雙鞭毛細胞（如衣藻）這兩類細胞了。單鞭毛細胞后來發(fā)展成為真菌和多細胞動物，同時有些單鞭毛生物仍然以單細胞狀態(tài)存在。雙鞭毛生物后來發(fā)展成為藻類和陸生植物，同時也有一些繼續(xù)以單細胞狀態(tài)存在。盡管單細胞生物后來發(fā)展成為多細胞生物，但是單鞭毛和雙鞭毛的基本特征仍然存在。兩大類生物各有特點，成為地球上彼此區(qū)別的兩大類生物。
既然單細胞的后鞭毛生物和多細胞動物屬于同一大類的生物，有共同的祖先，多細胞動物就很可能是從單細胞的后鞭毛生物發(fā)展出來的。如果能夠找出單細胞的后鞭毛生物和多細胞的動物更多的共同點，就可以進一步證明他們同屬單鞭毛生物?？茖W(xué)家使用的方法，還是檢查代表性生物的全部DNA序列，比較它們所擁有的基因。
2008年，由美國多個研究機構(gòu)和德國的科學(xué)家合作，測定了單細胞的單鞭毛生物領(lǐng)鞭毛蟲門中領(lǐng)鞭毛蟲綱（Choanoflagellate）中Monosiga brevicollis的全部DNA序列。2013年，美國科學(xué)家測定了領(lǐng)鞭毛蟲綱中的另一個物種，“群體形成性領(lǐng)鞭毛蟲”（Salpingoeca rosetta，因其能夠聚集形成群體）的全部DNA序列。也是在2013年，西班牙和美國的多家研究機構(gòu)的科學(xué)家合作，發(fā)表了領(lǐng)鞭毛蟲門，卷絲球蟲綱中Capsaspora owcazarzaki的全部DNA序列。對這些DNA序列的分析得出了驚人的發(fā)現(xiàn)，大大超出科學(xué)家當(dāng)初的預(yù)期。為了敘述簡潔，下面我們用Mbre代表Monosiga brevicollis，用Sros代表Salpingoeca rosetta ，用Cowc代表Capsaspora owcazarzaki。
要形成多細胞動物，需要細胞之間能夠粘連。在多細胞動物中，這種粘連主要是通過鈣粘蛋白（Cadherin）來實現(xiàn)的?？茖W(xué)家沒有想到的是，鈣粘蛋白的基因在以上三個物種的單細胞生物中都有發(fā)現(xiàn)。
動物的上皮細胞通過“整連蛋白”（Integrin）、纖連蛋白（Fibronectin）、和層粘連蛋白（Laminin）與細胞外由膠原蛋白（Collagen）組成的細胞外基質(zhì)相連。而在Cowc和Mbre中，所有這四種類型的基因都已經(jīng)出現(xiàn)。
有些轉(zhuǎn)錄因子（transcription factors，結(jié)合與基因啟動子上的DNA特殊序列，控制基因開關(guān)的蛋白質(zhì)）被認為是多細胞動物所特有的，例如p53、Myc、Sox/TCF，可是在Cowc和Mbre中，這些基因也已經(jīng)存在。
更令人驚異的是，過去被認為是多細胞動物特有的信號傳遞鏈上的分子，蛋白質(zhì)酪氨酸激酶（Protein tyrosine kinase，簡稱TK，在蛋白質(zhì)分子中的酪氨酸殘基上加上一個磷酸分子），在這些單細胞生物中被大量發(fā)現(xiàn)。在Mbre中，竟有128種酪氨酸激酶，比人類的酪氨酸激酶數(shù)量還多38種！與酪氨酸激酶配合作用的酪氨酸磷酸酶（Tyrosine phosphatase，把酪氨酸激酶加在酪氨酸殘基上的磷酸分子去掉）在這些生物中也有發(fā)現(xiàn)。
最有趣的是群體形成性領(lǐng)鞭毛蟲Sros。雖然它仍然是單細胞的生物，但是已經(jīng)能夠以5種細胞形態(tài)存在：慢游泳單細胞（領(lǐng)鞭毛蟲的典型形態(tài)，包括鞭毛和領(lǐng)毛）、快游泳單細胞（領(lǐng)毛已經(jīng)消失，只剩鞭毛）、通過杯形鞘殼附著在固體上（叫Thecate cells），聚集成鏈的細胞，和聚集成玫瑰花座形（rosette）的細胞，這也是其名稱Salpingoeca rosetta的由來。在Sros中，和多細胞動物器官形成有關(guān)的幾個信號通路中的一些成分，以及使細胞出現(xiàn)極性的一些蛋白質(zhì)成分已經(jīng)出現(xiàn)。對Sros的基因分析表明，Wnt信號通路中的Wnt基因和連鎖蛋白（Catenin）基因、刺猬蛋白（Hedgehog）信號通路中含有刺猬蛋白信號段的基因以及含有刺猬蛋白前體中負責(zé)肽鏈自我切斷的部分的基因、骨形態(tài)蛋白（BMP）信號通路中的SMAD基因、轉(zhuǎn)化生長因子（TGF）信號通路中的TGFb和TGFb受體基因、以及使細胞出現(xiàn)極性的Crumb復(fù)合物中為PATj蛋白編碼的基因都已經(jīng)出現(xiàn)。
以上事實說明，領(lǐng)鞭毛蟲門的生物已經(jīng)具有多細胞動物所需要的一些功能蛋白域，包括細胞間相互作用所需要的蛋白（鈣粘蛋白、整連蛋白、纖連蛋白、層粘連蛋白、Notch信號通路）、細胞間信息傳遞（Wnt信號通路、骨形態(tài)蛋白信號通路、轉(zhuǎn)化生長因子信號通路、受體酪氨酸激酶、酪氨酸磷酸酶等）、以及多細胞動物特有的轉(zhuǎn)錄因子（p53、Myc、Sox/TCF等）。這些蛋白功能域在其他單細胞生物中沒有發(fā)現(xiàn)，而只存在于領(lǐng)鞭毛蟲門的生物中，這是領(lǐng)鞭毛蟲門的生物是多細胞動物祖先，他們同屬單鞭毛生物最強有力的證據(jù)。
從具有領(lǐng)毛，單細胞的領(lǐng)鞭毛蟲到細胞沒有領(lǐng)毛也沒有鞭毛的人，其間經(jīng)過了十幾億年的發(fā)展歷程，模樣也發(fā)生了翻天覆地的變化，但是人類精子后面那根鞭毛，卻表明我們身體里面的細胞雖然已經(jīng)沒有鞭毛，但是我們的單細胞祖宗當(dāng)初為長出鞭毛的基因仍然存在于我們的DNA中，一有需要（精子形成時）又可以把鞭毛長回來，證明我們是單細胞后鞭毛生物的后代。這就像小說《西游記》中的孫悟空，在被二郎神追趕時變成一座廟，想逃過二郎神的眼睛，不過他的尾巴沒有地方放，只能變成一根旗桿，豎在廟的后方?？墒悄睦镉衅鞐U豎在廟后方的道理呢？二郎神據(jù)此判斷出這個廟是孫悟空變的，先去搗孫悟空的眼睛（廟門兩邊的兩個圓窗戶），迫使孫悟空變回原形。人類精子后面那根鞭毛，就是暴露我們是后鞭毛生物后代的“旗桿”。
而且群體形成性領(lǐng)鞭毛蟲就已經(jīng)能夠變成沒有領(lǐng)毛，只有鞭毛的形式，模樣和人類的精子非常相似。最簡單的和最復(fù)雜的后鞭毛生物，在生命的一些階段中竟然還能以同樣的模樣出現(xiàn)，不得不讓人驚嘆生物進化過程的精妙。